電傳動(dòng)車(chē)輛用永磁同步電動(dòng)機(jī)快速控制原型仿真

劉春光，馬曉軍，曾慶含

(裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

0引 言

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM)具有較高的功率密度和過(guò)載能力，而且易于弱磁擴(kuò)速，適合用作電傳動(dòng)履帶式車(chē)輛的牽引驅(qū)動(dòng)。

在車(chē)用PMSM的控制中，電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁區(qū)采取不同的控制結(jié)構(gòu)和控制算法，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作模式判斷算法復(fù)雜、切換不平滑，而且不能全局范圍內(nèi)通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)電流進(jìn)行定向，電機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)不是最優(yōu)。本文作者在文獻(xiàn)［1］中提出了一種基于磁鏈規(guī)劃曲線對(duì)定子電流進(jìn)行定向控制的方法，即將定子磁鏈規(guī)劃為轉(zhuǎn)速的函數(shù)，任意轉(zhuǎn)速下根據(jù)給定的磁鏈確定定子電流控制分量，以獲得最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。

實(shí)際上，履帶式電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛運(yùn)行工況復(fù)雜，其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，逆變器、電機(jī)等部件特性復(fù)雜，建模困難，給調(diào)速系統(tǒng)中控制器參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)整帶來(lái)困難，難以快速驗(yàn)證控制算法的有效性和控制效果。為此，本文基于dSPACE軟硬件平臺(tái)，構(gòu)建了一種適用于PMSM的快速控制原型仿真系統(tǒng)，代替真實(shí)控制器嵌入電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)控制算法進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠進(jìn)行多種運(yùn)行工況的電機(jī)控制試驗(yàn)，控制系統(tǒng)快速、無(wú)差地跟蹤速度給定信號(hào)，避免了恒轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制的變結(jié)構(gòu)切換問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑調(diào)速，驗(yàn)證了上述算法的正確性和有效性。

1基于磁鏈規(guī)劃的定子電流控制

圖1 基于磁鏈的定子電流控制的矢量控制原理框圖

圖1為基于磁鏈的定子電流控制的矢量控制原理框圖。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)為速度環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定與反饋的誤差輸出轉(zhuǎn)矩期望;內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)，相電流經(jīng)濾波、坐標(biāo)變換后的直、交軸電流分量(id，iq)作為電流反饋，電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)空間電壓矢量控制模塊生成PWM控制信號(hào)，控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷。與一般雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不同的是，控制器采用基于磁鏈規(guī)劃曲線的定子電流優(yōu)化控制策略，由轉(zhuǎn)矩期望與規(guī)劃磁鏈共同計(jì)算定子電流直、交軸電流的控制量(，)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一的定子電流定向控制，避免了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁區(qū)的控制結(jié)構(gòu)與算法的切換。

1．1全局范圍內(nèi)的磁鏈歸一化

無(wú)論在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)還是弱磁區(qū)內(nèi)，對(duì)于任意轉(zhuǎn)速下的給定轉(zhuǎn)矩，總對(duì)應(yīng)唯一的電流分量(id，iq)與定子磁鏈值ψs，滿(mǎn)足:

因此，可對(duì)全速范圍內(nèi)定子磁鏈進(jìn)行歸一化處理，由磁鏈規(guī)劃曲線和給定期望反解電流控制給定值。

為盡可能地拓寬恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行范圍，全速范圍內(nèi)磁鏈規(guī)劃曲線可表示:

圖2為定子磁鏈與轉(zhuǎn)速之間的規(guī)劃曲線圖，恒轉(zhuǎn)矩磁鏈(水平直線)與弱磁磁鏈曲線的交點(diǎn)，即恒轉(zhuǎn)矩區(qū)與弱磁區(qū)兩種工作模式之間的分界點(diǎn)。由于磁鏈規(guī)劃曲線是連續(xù)的，基于式(1)計(jì)算定子電流分量時(shí)，系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行自然過(guò)渡到弱磁運(yùn)行狀態(tài)，改變了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁區(qū)之間進(jìn)行判斷與切換的控制結(jié)構(gòu)，保證工作模式的平滑過(guò)渡。

圖2 全速范圍內(nèi)的磁鏈規(guī)劃曲線圖

1．2基于磁鏈規(guī)劃曲線的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制算法實(shí)現(xiàn)

為使系統(tǒng)具有最優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文采用基于磁鏈規(guī)劃的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制的定子電流算法任意轉(zhuǎn)速下，結(jié)合轉(zhuǎn)矩期望動(dòng)態(tài)確定磁鏈規(guī)劃值，計(jì)算磁鏈規(guī)劃值下電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩值:

(1)若轉(zhuǎn)矩期望大于最大輸出能力，則電機(jī)按照最大輸出能力曲線進(jìn)行控制。

(2)若轉(zhuǎn)矩期望小于最大輸出能力，則由磁鏈規(guī)劃?rùn)E圓與期望轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)確定定子電流分量。

圖3為基于磁鏈規(guī)劃曲線的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制算法流程圖。實(shí)際上，無(wú)論按照最大轉(zhuǎn)矩輸出能力曲線，還是根據(jù)定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩期望來(lái)確定電流分量，直、交軸電流的解析式都非常復(fù)雜。在實(shí)際的應(yīng)用中，借助MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練形成以磁鏈、轉(zhuǎn)矩為輸入，以電流分量為輸出的計(jì)算模型，如圖4所示。在各種運(yùn)行工況下，均可以通過(guò)查表獲取電流控制分量。

圖3 轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制算法流程圖

圖4 定子電流計(jì)算模型

2基于dSPACE的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快速控制原型實(shí)時(shí)仿真

dSPACE系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作平臺(tái)，本文將其作為控制器原型連接實(shí)際的被控對(duì)象，構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)，可在線調(diào)整控制器參數(shù)，快速驗(yàn)證和觀測(cè)算法的控制效果。

2．1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真總體結(jié)構(gòu)

圖5為基于dSPACE的電傳動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真原理圖。它主要由三部分構(gòu)成:逆變器和電機(jī)以實(shí)物形式出現(xiàn)在閉環(huán)中，省去了復(fù)雜的建模過(guò)程，并采用真實(shí)的電傳動(dòng)車(chē)輛操縱裝置輸入控制給定，完全模擬控制器應(yīng)用環(huán)境;MATLAB軟件、RTI接口和Control Desk虛擬試驗(yàn)軟件等被裝在dSPACE宿主機(jī)上，以完成控制器功能設(shè)計(jì)、算法調(diào)試，軟硬件接口聯(lián)接以及代碼生成、下載等功能;基于磁鏈的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制算法被下載在dSPACE處理器中，通過(guò)DS2202的豐富接口采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、三相電流，并輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路提供實(shí)際的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器進(jìn)而控制電機(jī)調(diào)速。

圖5 基于dSPACE的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真原理圖

2．2控制算法實(shí)時(shí)仿真模型

快速控制原型仿真的核心是建立控制器實(shí)時(shí)仿真模型，目的是在線調(diào)整控制器參數(shù)，快速驗(yàn)證控制算法。在MATLAB/Simulink環(huán)境下，基于磁鏈的定子電流定向控制的實(shí)時(shí)仿真模型如圖6所示。

仿真模型主要包括dSPACE系統(tǒng)的I/O接口和控制算法兩部分。

圖6 基于磁鏈的定子電流定向控制的實(shí)時(shí)仿真模型

(1)I/O接口模塊:配置DS4302的CAN通信模塊，采集操縱控制器分配給右側(cè)電機(jī)的加速信號(hào)，作為控制給定。采用DS2202的4路并行AD實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換接口，得到三相電流 ia、ib、ic和母線電壓 VDC。通過(guò)DS2202F2D接口對(duì)增量式光電碼盤(pán)輸出脈沖的采集，轉(zhuǎn)速/位置模塊解算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ與轉(zhuǎn)速 n。空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)DS2202PWM接口送外圍驅(qū)動(dòng)電路。

(2)控制算法模塊:速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩期望，并根據(jù)磁鏈規(guī)劃曲線查表計(jì)算當(dāng)前允許磁鏈。轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模塊根據(jù)上述算法計(jì)算得到直軸、交軸電流分量的控制給定，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)以及電壓前饋控制，得到交直軸控制電壓，再經(jīng)過(guò)空間矢量PWM模塊計(jì)算逆變器上橋PWM控制信號(hào)。

3實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)用牽引電機(jī)參數(shù):PN=100 kW，ψf=0．296 Wb，Ld=1．332 ×10-3H，Lq=3．966 ×10-3H，Rs=0．4 Ω，電機(jī)極對(duì)數(shù) p=4，母線電壓 VDC=750 V。

圖7、圖8分別為采用本文提出的基于磁鏈規(guī)劃的控制算法與傳統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)矢量控制時(shí)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速200 rad/s，電機(jī)帶200 N·m負(fù)載起動(dòng)。采用傳統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)矢量控制時(shí)，在0．6 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由最大值1 080 N·m突降至300 N·m并出現(xiàn)明顯振蕩回升，2．4 s后進(jìn)入穩(wěn)定弱磁狀態(tài)，相應(yīng)地，電機(jī)轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過(guò)程中上升緩慢，進(jìn)入穩(wěn)定弱磁狀態(tài)后實(shí)現(xiàn)擴(kuò)速，2．8 s達(dá)到200 rad/s。其中轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波動(dòng)是由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)向弱磁區(qū)切換時(shí)控制結(jié)構(gòu)和算法的變換引起的，這與理論分析一致。采用本文提出的基于磁鏈規(guī)劃的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制后，1．2 s時(shí)由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)自然過(guò)渡到弱磁區(qū)，轉(zhuǎn)矩變化平滑并遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)弱磁控制下的轉(zhuǎn)矩輸出能力，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制算法。

圖9、圖10分別為電機(jī)帶180 N·m負(fù)載起動(dòng)過(guò)程中直、交軸分量變化曲線以及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。低速時(shí)，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，電流分量id=-186．4 A、iq=232．5 A基本保持恒定;隨轉(zhuǎn)速增加進(jìn)入弱磁區(qū)后，直軸電流id進(jìn)行弱磁，而后在磁鏈規(guī)劃曲線的作用下自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制，電流減小，而交軸電流持續(xù)減小，直到最后穩(wěn)定運(yùn)行。圖11、圖12分別為加速過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和轉(zhuǎn)扭-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線?？梢?jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁區(qū)之間的平滑過(guò)渡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的基于磁鏈的定子電流定向控制算法，有效解決了PMSM在弱磁區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)控制切換的難題，算法簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定。

4結(jié) 語(yǔ)

在常規(guī)的履帶式電傳動(dòng)車(chē)輛用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中，通常在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁區(qū)采用不同的控制算法，系統(tǒng)調(diào)速過(guò)程中需要進(jìn)行變結(jié)構(gòu)切換，切換過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。本文首次提出一種基于磁鏈規(guī)劃曲線的定子電流定向控制算法，在全速范圍內(nèi)根據(jù)磁鏈規(guī)劃曲線和轉(zhuǎn)矩期望確定直交軸電流分量，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制和平滑調(diào)速，并借助于dSPACE和相關(guān)物理部件進(jìn)行了快速控制原型仿真。結(jié)果表明該控制算法有效解決了上述問(wèn)題，具有良好的控制效果，同時(shí)，為實(shí)際控制器的開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)，為驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新思路和方法。

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